AM-FM радиоприемник: Настройка с варикапи

    Беше време, преди появата на микро-интегралните PLL системи, когато настройването на радиоприемниците беше с променливи кондензатори, често дву- или три- секционни, а за УКВ тунерите до шест секционни. В осемдесетте години на миналия век, някои световноизвестни фирми като Philips, експериментираха в своето масово производство с използването на варактори за настройки на обхватите на своите радиоприемници. Но само руската индустрия се осмели да използва този начин на настройка в преносими радиоприемници. Един такъв "смесен" вариант представлява руския радиоприемник II клас "Меридиан 210-212", в който АМ секцията се настройва с променлив кондензатор, а УКВ обхвата с варикапи.

    Но на мен ми хрумна една луда, нетрадиционна идея - да използвам варактори както за настройка на FM диапазона, така и за АМ.

    Лудостта на тази идея се разкрива още по-пълно, като в нея като изискване включих необходимостта управляващото напрежение на варикапите да бъде достатъчно ниско с цел настройките да се извършват с напрежението от батерийното захранване на радиоприемника. Естествено, че така формулирана, идеята не е просто осъществима и трябваше да помисля по какъв начин да осигуря напрежение за управление на варикапите, което надвишаваше захранването от шест батерии по 1,5 V (или 9 V), каквито са повечето батерии на пазара. От друга страна, трябваше да се съобразя и с факта, че доста радиоприемници се захранват не с шест, а с четири такива елемента от по 1,5 V, или захранване 6 V. Това означаваше, че източникът на варикапното напрежение трябваше да работи в един доста по-широк обхват на захранващото напрежение, като например 5-10 V. Но нека да вървя стъпка по стъпка както беше реализацията на идеята.

    Всъщност, ето каква е идеята - да направя изцяло нов многодиапазонен радиоприемник, в който да използвам бобинния блок на ВЕФ, да заменя тежкия и обемист променлив кондензатор с липсващи секции за УКВ, с подходящи варикапи, управлявани с близко по обхват напрежение, така че с едно и също такова, да управлявам настройката както на АМ секцията, така и на УКВ блока. Но искам да подчертая - УКВ блока също трябваше да бъде с електронна настройка с варикапи и то внимателно подбрани, така, че да попаднат в обхват на управляващото напрежение, който е еднакъв и за АМ и за FM. Но за последния аз вече имах опит, който споделих с вас в статията "УКВ радиоприемници, част I: УКВ блокове", в която показах няколко реализирани схеми на УКВ блокове с различни интегрални схеми. В тях настройваемият елемент е варикап с управляващо напрежение (0,6-13) V.

    Тази идея се оказа трудно реализуема не толкова от практическа гледна точка, колкото от липсата на подходящи варикапи на пазара в България. Разбира се, предварително трябваше да прегледам техническите параметри (datasheets) на варикапи с подходящ капацитет. Но се оказа, че почти не се намират такива. Припомням, че променливият кондензатор на ВЕФ е с капацитет 7-365 pF. Варикапите за АМ се оказаха с капацитет около 20-420 pF.

    Който е следил последните публикации на моите конструктивни експерименти, вероятно се е досетил, че стъпка по стъпка съм извървял този път. Например, първата стъпка беше вкарването на УКВ блок в конструкцията на радиоприемника ВЕФ. При тази стъпка най-големият проблем се оказа намирането на променлив кондензатор с УКВ секция, но и с капацитет равен или около номиналния на оригинала. За да припомня тази конструкция ето една от снимките:

    В тази конструкция УКВ блока беше реализиран с интегралната схема на RHOM BA4424, а променливия кондензатор от радиоприемник SONY с капацитет около 350-355 pF. Най-подходящото място за този УКВ блок беше на мястото на оригиналния променлив кондензатор, което наложи доста голяма механична преработка, която описах.

    Втората стъпка по този път бяха реализациите на серия УКВ блокове, които се настройват с варикапи с максимален капацитет равен или близък на капацитета на УКВ секциите на променливите кондензатори, тоест 14-16 pF. А другото изискване беше управляващото напрежение на варактора да бъде в рамките на батерийното захранване. Все пак целта, беше тези УКВ блокове да се вкарат в същия радиоприемник. Последното се оказа невъзможно, тъй като за да се покрие целия УКВ обхват 87,5-108 MHz, беше необходимо управляващото напрежение да бъде в обхвата 1,5-9 V. Ето един от УКВ блоковете, който отговаряше на изискванията ми за тази цел:

    Да, не скривам, че имах предпочитания към руската интегрална схема, двоен балансен смесител, за реализиране на висококачествени УКВ блокове, К237ХА5. Разбира се, че може да се използват и другите УКВ блокове, които описах в една от вече публикуваните статии, като лично аз, препоръчвам УКВ блок с интегралната схема на Toshiba TA7358P, но моята платка няма автоматична донастройка на честотата на хетеродина, която ще трябва да си направите сами. А точно тази функция ми беше необходима за моя "луд" проект.

    Третата стъпка, след като подбрах подходящи варикапи за управление на УКВ блока, беше да потърся подобни за АМ обхвата. Оказа се, че няма богат избор не само у нас, но и по чужди интернет сайтове. Но, който търси намира. Такива варикапи трудно се намират предвид на предварителните условия, като например, да имат капацитет равен или малко по-голям от капацитета на оригиналния променлив кондензатор, както и да се управляват с ниско напрежение. Така се ориентирах към два варикапа за АM настройки - BB112 и SVC/SИ348/S348/I348. А сега няколко думи за техните основни параметри:

  BB112 S348
Управляващо напрежение, V 1-8,5 1-8
Капацитет при Uv = 1V, pF 440-540 470-525
Капацитет при Uv = 8,5V 17-29 20-26


    Варикапът BB112 е единичен в корпус, а S348 е сдвоен, което обяснимо намалява броя на елементите, или поне така си мислех преди да започна конструцията. А стойностите на началния и крайния им капацитет с почти един и същи обхват на управляващото напрежение са почти идентични.

    Следващата стъпка беше да приведа максималната стойност на капацитета на варикапите към максималната стойност на механичния променлив кондензатор, с което щях да постигна една и съща начална честота на настройките за кой да е от обхватите. За целта има два начина - първият с последователна комбинация с друг кондензатор, а вторият с промяна на управляващото напрежение, така че да се постигне желаният капацитет от 365-370 pF. Разбира се, след като вече бях намерил двата типа варикапи реших да изпробвам и двата варианта. Така се случи, че първо намерих варикапи BB112, а с тях реализирах последователната комбинация с друг кондензатор. По-късно, когато намерих и сдвоения варикап на SANYO S348 реших, съответно, с него да изпробвам вторият - управление с подходящо напрежение, при което капацитета му става равен на 370 pF. За да стане всичко това твърде внимателно се взрях в характеристиките на двата варикапа и най-вече зависимостта на капацитета от управляващото напрежение.

    Но в процеса на "пробите и грешките" се оказа че дори и поляритета на управляващото напрежение при двата типа варикапи е различно, което си беше друга трудност в решаване на задачата. Така се родиха и две различни схеми на захранване на варикапите, както за BB112, така и за S348, което може да видите от следващите схеми:

    Експериментът за определяне на управляващото напрежение на варикапите е много интересен. Първо, естествено, погледнах зависимостта на капацитета от промяната на приложеното напрежение за да се ориентирам грубо при какво напрежение ще получа подходящ максимален капаците около 360-370 pF. Това направих ето с тази постановка:

    Но ето на следващата снимка в по-близък план се вижда обемния монтаж на варикапите и свързаните с тях елементи:

    На първата снимка се вижда и УКВ блока от предишната конструкция, който като втора стъпка от новата идея, също трябва да заменя с нов УКВ блок с електронна настройка с варикапи. А долу вдясно на снимката е потенциометъра, с който се извършва настройката на входните и хетеродинните кръгове чрез промяна на приложеното върху варикапите управляващо напрежение.

    И така, ето отново малко сметки като база за тях е капацитета на променливия кондензатор.

Като изхождаме от капацитета на варикапите, чиито данни публикувах в началото и се спрем на настройка с варикапи BB112, ще получим следния капацитет от последователната комбинация на капацитета на кондензатора от 1800 pF и осреднения собствен капацитет на прехода на варикапа (при зададено напрежение 1V), който е 500 pF:

    C = C1 * Cvar / (C1 + Cvar),

    или направо резултата - 390 pF, което е изключително близко до стойността на променливия кондензатор, което ще облекчи настройките. Направих проба с последователен кондензатор от 1500 pF, с който последователната комбинация придобива стойност на капацитета 370 pF.

    И както казах по-горе, другият експеримент направих със сдвоения варикап S348, който се оказа с общ анод. За да получа съвместимост със захранването (маса - общ минус), трябваше да променя начина на свързване, който съм показал на принципната схема по-горе вдясно. Също така, този експеримент направих без да използвам последователната комбинация от различни стойности на кондензатора за да достигна капацитет 370 pF, а реших да постигна тази стойност чрез управляващото напрежение.

    По този начин радиото проработи, но се наложи доста да си поиграя с настройките на входните и осцилаторните бобини. Но "луд умора няма", както казват старите хора. Оказа се, че чрез въртене на сърцевините на бобините пренастройката е възможна. Но се появи друг проблем, а именно: минималния капацитет с променлив кондензатор беше 7 pF, а с варикап - 20 pF. Така загубих от високочестотната част на диапазоните, но най-вече за дълги и средни вълни. И ако на дълги вълни, където станциите се броят на пръстите на едната ръка не е от значение, то за средновълновия обхват горна честота само 1500 KHz е истинска загуба.

    Така отново върнах оригиналния променлив кондензатор, върнах и всички настройки на входни и осцилаторни кръгове към първоначалните стойности и започнах да размишлявам за друго решение. Например, при напълно затворен променлив кондензатор (максимален капацитет) за обхвата ДВ (дълги вълни) началната честота е 140 kHz, а за обхвата на СВ (средни вълни) началната честота е 500 kHz. Така стигнах до извода, че трябва да се обърна отново към характеристиките на варикапите. Според тях, едно разширение на управляващото напрежение до 14 V, представляващо максималната му стойност, няма да увреди варикапа, но минималния му капацитет спада до 12-15 pF. Това е от голямо значение за постигане на коефициента на покритие, тоест достигане на максималната честота на дадения обхват, например за средни вълни - 1620 kHz.

    Затова е редно да засегна още един фактор, който определя честотните диапазони - коефициента на покритие, който можем, в частност, да разглеждаме като отношението на максималния към минималния капацитет, приложен към трептящите кръгове. Но това твърдение е малко любителско, защото в един трептящ кръг имаме допълнително капацитет на самата бобина, монтажен капацитет, капацитет на донастройващия тример кондензатор. Общият капацитет на трите е около 20-30 pF. И ако този капацитет не оказва влияние за максималната стойност на кръговия капацитет, то ако приложим най-ниската стойност на капацитета на варикапа (която е около 20-25 pF) тези параметри оказват съществено влияние.

    Защо? Сумарния капацитет при използване на оригиналния променлив кондензатор при неговата минимална стойност от 7 pF е около 20-30 pF, но ако го заменим с варикап, тази стойност вече надхвърля 40-50 pF, а това вече силно намалява коефициента на покритие. Само като пример съотношението на максималния и минималния капацитет при използване на променлив кондензатор е около Kп = 20, а при използване на варикап Кп = (12-15).

    На самите принципни схеми, горе, съм показал стойностите на управляващото напрежение както за варикапи BB112, така и за S348, съответно (1-12)V и (1,3-14)V. И веднага искам да разреша една загадка - защо максималните управляващи напрежения са различни: 12 и 14V? В първия случай покритието по честота за СВ е 500-1560 kHz, докато във втория е 510-1620 kHz. Тоест вторият експеримент беше удачен, тъй като осигурява пълно покритие на обхвата. Тъй като съм търсил съвпадение на капацитета за най-ниската честота на АМ обхватите, се оказа че има такова за ДВ, СВ, КВ49м, КВ41м, КВ31м, КВ25м и КВ19м, докато за останалите се налага донастройка, като за обхвата КВ13м тя е съществена и трудна за изпълнение, но не невъзможна.

    Изводът, който се налага е, че като проект, при това любителски, с използване на фабричния бобинен блок, реализираната електронна настройка може да се приложи за ВЕФ12/201/202, които са с КВ обхвати до 25м (12 MHz), но не и за ВЕФ206, при който обхвата на къси вълни 13m, 16m е на честота 21,450 MHz, съответно 18,5 MHz.

    Друга важен извод от експериментите до тук е, че поради различния наклон на характеристиките на променливия кондензатор и варикапа, се променя скалата. Тоест, ако да речем радиостанцията на ДВ "Брашов" при използване на променлив кондензатор се е появявала около и малко над 2000 m (153 kHz), то при настройка с варикапи е малко по-вляво (около 160 kHz). Но това не е съществен проблем предвид на факта, че основната задача за тази луда идея се оказа напълно изпълнима.

    Но не всичко е готово за да затворим радиото в кутията. Трябва да осигурим достатъчно по обхват управляващо напрежение, каквото е необходимо за варикапите. За бъдещата конструкция избрах сдвоения варактор Si348, защото неговото начално напрежение напълно отговаряше на началното напрежение на варикапите ВВ105, които използвах за настройка на УКВ блока. От друга страна, като използвах първоначалните оригинални настройки с променлив кондензатор, замених го без да правя промени в тях с този варикап, установих, че при напрежение 1,3 V постигнах същите начални честоти.

    Така стигнах до четвъртата стъпка от този нестандартен проект - осигуряване на напрежение за управление на варикапите. Това напрежение, естествено, се получава чрез преобразувател на напрежение. По този начин се родиха статиите на тази тема, които представяха моите търсения за най-добро конструктивно решение, което да бъде с най-малка консумация на ток от батериите, все пак, това е преносим радиоприемник, за който този показател е от изключително значение, ако искаме да работи по-продължително с един комплект батерии.

    Аз вече описах в четири поредни статии своите експерименти, като приложих графични оригинали на печатни платки. Ето тук е уместно да кажа, че конфигурациите на платките бяха съобразени именно с този проект, да бъдат вкарани в освободеното от променливия кондензатор място ведно с УКВ блока. Пак искам накратко да спомена изискванията към преобразувателя - ниска консумация, стабилност на изходното напрежение и точно определен интервал 1,3-14 V. Така в Част I и Част II описах два преобразувателя, от които първият с трансформатор, блокинг-генератор и собствен стабилизатор, а във втората генератор с интегрална схема 4011 и умножител на напрежение с диоди и стабилитрон. И двата варианта се оказаха подходящи за замислената от мене конструкция. Естествено, последователно изпробвах и двете, за да мога да измеря част от горните параметри, залегнали в предварителните изисквания. Те имаха следния вид:

    При монтажа се оказа, че височината на платката е твърде голяма след като изпробвах първата схема и както виждате на втората снимка съм направил засечка в нея - тя допуска монтажа под феритната антена. В тази поредица от статии аз изтъкнах необходимостта от мерки за изолиране на шумовете в АМ обхвата, както и показах начина за елиминирането им.

    Но ето последователността на този монтаж с преобразувателя, изпълнен с интегралната схема CD4011:

    На третата снимка вдясно е монтажът на преобразувателя, а под него УКВ блока на мястото на оригиналния променлив кондензатор. Следва конструкцията в завършен вид:

    Но се оказа, че пълният оборот на потенциометра в линеен режим, тоест с корда, не покрива размера на скалата, която в оригинала е 145 mm. с оригиналното вернерово устройство. Оста на потенциометъра се завърта на 300 градуса, което представлява 83% от линейния размер на скалата или с други думи скалата се скъси. За да компенсирам това неудобство потърсих друго вернерово колело, което по моите изчисления трябваше да бъде с диаметър 54,5 mm за да постигна оригиналната линейна дължина на скалата. След дълги проучвания в интернет намерих такова колело от стар български лампов радиоприемник, което чудесно пасваше на изисквания размер. Веднага го монтирах, направих си нова корда и ето какво се получи:

    А тук следват за сравнение двете вернерови конструкции:

    И ето, че дойде време да разкажа за промените, които направих в преобразувателя на напрежение по време на конструктивния си експеримент. Аз загатнах по-горе, че варикапите за АМ и ЧМ се управляват с различно напрежение. Именно поради тази причина управлението на варикапите не е с един, а със стерео-потенциометър. Това ми позволява да асоциирам към всеки поотделно съответното максимално напрежение, за АМ - 14V, за ЧМ - 8 V.

    Но ако сте забелязали и варикапите и за двата обхвата се управляват с едно и също начално напрежение - 1,2-1,3 V. Именно това ме накара да реша да използвам стабилитрон в долната част на потенциометрите, който с точно тази стойност да фиксира минималното напрежение за управление на пълния комплект варикапи АМ-ЧМ. В началото това постигнах с два Si диода, чиито преход имат този ефект, след което успях да намеря интегралния стабилизатор на опорно напрежение LM385 за 1,2 V. Той има стабилно опорно напрежение в твърде широк диапазон на тока на стабилизация - от няколко микроампера до няколко милиампера. А с други два ценерови диоди получих максималните напрежения за настройка от 14 V и 8 V.

    Схемата на преобразувателя вече придоби следния вид:

    Въпреки броя диоди, тази принципна схема е най-лесната за изпълнение и най-евтина като материали.

    Аз бих предложил едно лесно за изпълнение решение, което също съм изпробвал, а именно премахването на ценера D9 - BZV55C8V2. В този случай максималното напрежение на горния извод на потенциометъра Р1 ще се определя чрез стойностите на делителя R3-P1. При необходима стойност на максималното управляващо напрежение от 8 V, с кратко изчисление по простото тройно правило се определя стойността на резистора R3, като използваме за опорно напрежение ценера D7. Лично аз съм използвал ценер за 13 V, BZX55C13 и по тази стойност резистора R3 трябва да бъде около 82 kΩ. За по-точен избор препоръчвам да поставите на негово място тример потенциометър със стойност 100 Ω. Все пак тримера не е температурно стабилен елемент, но най-малкото с него може да определите абсолютно точно стойността на падинговия резистор. Едва ли това ще бъде от огромно значение поради това, че все пак трябва да поставите най-близката стандартна стойност резистор.На края ще се убедите, че моето конструктивно решение за използването на ценеров диод ще ви излезе и по-евтино и по-лесно за изпълнение. Точно поради това, аз съм използвал точно този начин за фиксиране на максималното напрежение за управление на варикапите.

    Завършения вид на представения радиоприемник има следния външен вид:

Архив [zip,spl7,gif][76kb]

    Накрая няколко извода, следващи от реализацията на тази конструкция:

    1. Тази "луда" (виждате вече е в кавички) идея се оказа напълно реализуема.

    2. Всички съпътстващи блокове, за да може тя да се осъществи, са достатъчно малки за да се поберат върху оригиналното шаси и да се вместят в пространството, освободено от променливия кондензатор.

    3. Щателния подбор на схемите и елементите позволява ниска консумация на ток от батериите, което е изключително важно за преносим радиоприемник, поради което аз използвам батерии тип "R6" или както е модерно сега да се наричат размер "АА".
 

Литература (по порядъка на осъществяване на проекта):

1. Радиоприемник FM-AM върху шаси от "VEF", част II: Механична преработка
2. УКВ радиоприемници, част I: УКВ блокове
3. УКВ радиоприемници, част II: Междинно-честотни усилватели за ЧМ (TA7640AP)
4. Радиоприемник FM-AM върху шаси от "VEF", част I: Електрическа схема на хетеродинния преобразувател
5. Преобразувател на напрежение за управление на варикапи, част II

6. Справочник [zip,pdf][269kb]

Валери Терзиев
23 юли 2015 година